La glace d'eau est l'une des substances solides les plus abondantes dans la nature et les protons hydratés à la surface de la glace ont une influence critique sur les propriétés physiques et chimiques de la glace. Les protons hydratés sont facilement dopés dans les réseaux de liaisons hydrogène (HB) lorsque des impuretés acides sont présentes. En revanche, dans les systèmes moléculaires d'eau pure, ils sont générés uniquement par l'ionisation thermique des molécules d'eau (H 2 O⇆H ⁺ hyd + OH ^- hyd ). Par conséquent, l'activité protonique inhérente à la glace d'eau est déterminée par la quantité et la mobilité des protons hydratés issus de l'autoionisation (figure 1).

De nombreuses discussions ont été engagées, pas encore réglé, sur la question de savoir si l'activité des protons hydratés est sensiblement augmentée à la surface de la glace d'eau. C'est un problème crucial pour comprendre l'impact des surfaces de glace omniprésentes dans la nature sur une grande variété de phénomènes hétérogènes, comme la génération de charge, séparation et piégeage dans un orage, destruction photochimique de la couche d'ozone terrestre, et même l'évolution moléculaire dans l'espace, etc.

Très récemment, chercheurs dirigés par Toshiki Sugimoto, Professeur agrégé à l'Institut des sciences moléculaires, a réussi à démontrer directement et quantitativement que l'activité protonique est considérablement augmentée à la surface de la glace à basse température. Sur la base de l'observation expérimentale simultanée de l'échange isotopique H/D de molécules d'eau à la surface et à l'intérieur de films de glace cristalline à double couche composés de H 2 O et D 2 O (figure 2), ils ont rapporté trois découvertes majeures de l'amélioration unique de l'activité protonique de surface :(1) l'activité protonique prouvée par l'échange H/D (Figure 1) à la surface la plus élevée est au moins trois ordres de grandeur plus élevée qu'à l'intérieur, même en dessous de 160 K; (2) l'augmentation de l'activité protonique est dominée par le processus d'auto-ionisation des molécules d'eau plutôt que par le processus de transfert de protons à la surface de la glace; (3) en raison de l'auto-ionisation favorisée par la surface, on estime que la concentration de protons hydratés en surface est supérieure de plus de six ordres de grandeur à celle de la masse.

En corrélant ces résultats avec la structure et la dynamique au niveau moléculaire de la surface de la glace à basse température, ils ont expliqué que les fluctuations structurelles coopératives permises dans les molécules de surface sous-coordonnées (figure 3) mais inhibées dans les molécules intérieures entièrement coordonnées facilitent l'auto-ionisation et dominent l'activité protonique à la surface de la glace. Parce que la limite inférieure de température de l'atmosphère terrestre est d'environ 120 K autour de la mésopause, il est peu probable que la surface de la glace cristalline sur terre soit solidement ordonnée, mais serait inévitablement très fluctuante. Dans la nature, de telles caractéristiques dynamiques facilitent l'auto-ionisation des molécules d'eau et améliorent ainsi l'activité protonique à la surface de la glace cristalline. "Nos résultats font non seulement progresser la chimie physique des liaisons hydrogène interfaciales, mais fournissent également une base solide pour élucider les propriétés clés des surfaces de glace qui sont d'un grand intérêt pour une variété de phénomènes liés à la dynamique des protons hydratés, " dit Sugimoto.